SUPERVISOR
AmirMehdi Halabian,Hamid Hashemalhosseini
امیرمهدی حلبیان (استاد راهنما) حمید هاشم الحسینی (استاد مشاور)
STUDENT
Mehrdad Alizadeh
مهرداد علی زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Nonlinear Soil Structure Interaction in R/C Frame Structures Using a Bounding Surface Constitutive Model for Soil
The effects of the structure’s surrounding soil layer on the seismic response of the structure are investigated for decades. Most of the researches related to the soil-structure interaction (SSI) have been conducted with linear or at most equivalent linear assumption of the soil layer behavior. Considering nonlinear soil behavior and its effects on the seismic response of the total system is almost a new researching field relating to SSI and is known as nonlinear soil-structure interaction. The nonlinear soil behavior influences on both the free-field response and the soil-structure interaction in a complex way. In this study employing a new plasticity model developed for simulation of monotonic and cyclic behavior of sandy soils, the effect of nonlinear soil behavior on the elastic and inelastic response of a set of 5, 10 and 20-story R/C generic frame model is considered and compared with linear behavior of the soil layer. The modal pushover analysis (MPA) method was used to consider inelastic behavior of structures and nonlinear time history method to analyze soil-structure system which after conducting MPA analysis is a one degree freedom structure reflecting modal characteristic of the mulistory structure supporting on the flexible foundation. MPA method is generally recognized as a new analysis method for estimating fixed-supported structure demand with capability to include higher mode effects on response. Many prior researches were conducted to consider possibility and ability of MPA method in SSI problems. By using MPA approach to analyze structures supporting on flexible foundation, the effect of the foundation flexibility on the load distribution which is used to push system in each mode will be involved. The constitutive model used for considering nonlinear soil behavior was presented by Dafalias and Manzari (2004). They proposed the model as a bounding surface model based on the state parameter of soil. Formulation of the model is based on stress ratio and states that just change in value of stress ratio result in deviatoric plastic deformation. The volumetric plastic deformation is related to the deviatoric plastic strain by dilation parameter defined using Rowe’s dilatancy theory. Using plasticity theory consistent with the critical state framework and by usage of state parameter, this model provides a nonlinear constitutive model which could predict nonlinear monotonic and cyclic response of soil almost accurately. The nonlinear behavior of the structures was modeled using moment-curvature relations for beam elements and fiber-element method for columns. Fiber-elements could consider inelastic behavior of a member using multi-axial spring following nonlinear stress-strain relation of materials assigned to the section of the member. By using this method moment-axial load interaction of the columns will include automatically. To consider soil stratum stiffness effects on the seismic response of frames, three types of the soil layer with 150, 250 and 500 m/s shear wave velocity of soil halfspace were selected. The analysis was conducted for five near fault ground motions. Results are presented as response spectra for three types of generic frames with both elastic and inelastic behavior as well as linear and nonlinear soil behavior and also all type of soil layer. Foundation rocking and its effects on the seismic response of the structures was another aspect of this study. Keywords: nonlinear soil-structure interaction, bounding surface soil model, modal pushover analysis, response spectra.
طی دهه های گذشته زمین لرزه های بسیاری به وقوع پیوسته که خسارات بسیاری را بر سازه ها و زیرساخت های شهری تحمیل کرده است. به منظور طراحی ایمن سازه ها و با توجه به اهمیت موضوع، آیین نامه ای طراحی لرزه ای به صورت مداوم مورد بازبینی قرار می گیرند. در کنار این رویکرد مستمر، یکی از جنبه های اساسی و تأثیرگذار بر عملکرد سازه و شدت خسارت وارده بر آن، انعطاف پذیری شالوده ی سازه می باشد. تاکنون روش های مختلفی برای بررسی میزان تأثیرگذاری انعطاف پذیری فونداسیون بر پاسخ سازه توسعه یافته است. روش مودال پوش آور به عنوان یکی از روش های مبتنی بر عملکرد سازه می باشد که تاکنون برای سازه هایی با تکیه گاه صلب به کار گرفته شده است. روش مذکور بر اساس بررسی ظرفیت و عملکرد سازه در هر مود ارتعاشی، در نهایت قادر به برآورد نیاز لرزه ای سازه تحت تحریک زمین لرزه می باشد. توسعه ی تحلیل روش مودال پوش آور برای استفاده در سازه هایی با شالوده ی انعطاف پذیر پذیر به عنوان کاربرد روش های تحلیل عملکردی در سیستم های مذکور مورد توجه قرارگرفته است. در این مطالعه با استفاده از روش تحلیل مودال پوش آور سعی شده است میزان و نحوه ی تأثیرگذاری انعطاف پذیری شالوده بر پاسخ سازه، برای تعداد محدودی از تحریکات نزدیک به گسل بررسی شود. همچنین بستر خاکی در سه گروه ، با سرعت های موج برشی 150، 250 و 500 متر بر ثانیه در نظر گرفته شده است. علاوه بر آن برای بررسی اثرات رفتار غیرخطی خاک بر پاسخ سازه، مدل سازی بستر خاکی به کمک یک مدل سطح مرزی با قابلیت پیش بینی رفتار دینامیکی خاک دانه ای، تحت بارگذاری دوره ای، صورت گرفته است. برای بررسی تأثیر زمان تناوب سازه بر پاسخ دینامیکی سیستم مورد مطالعه، سه گروه قاب ژنریک بتنی و یک دهانه ی 5، 10 و 20 طبقه انتخاب شده است. رفتار غیرخطی قاب ها نیز به کمک مدل سازی تیرها توسط مفاصل پلاستیک و مدل سازی ستون ها به کمک المان های الیافی مد نظر بوده است. در نهایت با انجام تحلیل مدال پوش آور برای هر مود از سیستم خاک – سازه و برای شرایط مختلف بستر خاکی و به کمک تحلیل غیرخطی تاریخچه ی زمانی، میزان و نحوه ی تأثیرگذاری انعطاف پذیری شالوده بر پاسخ مودی سازه بررسی شده است. نتایج مربوط به تحلیل مودال پوش آور سیستم مورد مطالعه، در قالب شتاب پاسخ سازه ی یک درجه آزادی معادل هر مود بدست آمده است. در ادامه ی تحقیق، بررسی اندرکنش خاک و قاب 5 طبقه، به صورت تحلیل دینامیکی غیرخطی انجام شده است. نتایج بدست آمده از تحلیل پوش آور قاب های مورد مطالعه، به میزان قابل توجه تأثیرگذاری شالوده ی خاکی، بر پاسخ قاب های 5 و 10 طبقه اشاره دارد؛ در حالی که این موضوع برای قاب 20 طبقه با تأثیر کمتری همراه می باشد. همچنین تأثیر حرکت گهواره ای فونداسیون، بر شتاب پاسخ هر مود از سازه بررسی شده است که نشان می دهد در اغلب موارد، برای مود اول سازه، تأثیر مذکور در جهت کاهش شتاب کلی پاسخ سازه می باشد. نتایج بدست آمده از تحلیل اندرکنش خاک و قاب 5 طبقه در قالب مقایسه ی شتاب بام سازه ی مذکور در حالت های تحلیل مودال پوش آور و تحلیل غیرخطی تاریخچه ی زمانی ارائه شده است. در نهایت پیشنهاداتی در جهت بررسی بیشتر پدیده ی اندرکنش غیرخطی خاک و سازه ارائه گردیده است. کلمات کلیدی : اندرکنش غیرخطی خاک و سازه، تحلیل مودال پوش آور، رفتار غیرخطی خاک، مدل سطح مرزی